(57)【要約】【課題】迷光除去率良く、単色の直線偏光を抽出する偏光分光器を提供すること。【解決手段】波長および偏光方向に応じた方向へ光を出力する第１プリズム１２と、第１プリズム１２を透過した光を受け、波長および偏光方向に応じた方向へ光を出力する第２プリズム１６とを備えた偏光分光器１０。第１プリズム１２および第２プリズムは一軸性の結晶プリズムであり、第１プリズム１２の光学軸および第２プリズム１６の光学軸は共に各プリズム内での光路に直交し、かつ第２プリズム１６の光学軸が、第１プリズム１２からの出力光のうち、第１プリズム１２の光学軸に直角に偏光した直線偏光成分の偏光方向を向いている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも二以上の波長分散素子を備え、単色の直線偏光の抽出を行なう偏光分光器であって、
前記二以上の波長分散素子として、波長および偏光方向に応じた方向へ光を出力する第１プリズムと、前記第１プリズムを透過した光を受け、波長および偏光方向に応じた方向へ光を出力する第２プリズムとを備え、
前記第１プリズムおよび第２プリズムは一軸性の結晶プリズムであり、
前記第１プリズムの光学軸および第２プリズムの光学軸は共に各プリズム内での光路に略直交し、
かつ第２プリズムの光学軸が、第１プリズムからの出力光のうち、第１プリズムの光学軸に直角に偏光した直線偏光成分の偏光方向を向いていることを特徴とする偏光分光器。
【請求項２】
請求項１記載の偏光分光器において、
前記第１プリズムと第２プリズムとの間の光路上に設置され、第１プリズムから所定の方向に出射された光以外の光を遮断する中間スリットと、
前記第２プリズムの後段に設置され、第２プリズムから所定の方向に出射された光以外の光を遮断する出射スリットと、を備えたことを特徴とする偏光分光器。
【請求項３】
請求項１または２に記載の偏光分光器において、
前記第１プリズムおよび第２プリズムを回転駆動し、抽出する直線偏光の波長を変更する駆動手段を備えたことを特徴とする偏光分光器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定波長の直線偏光の選択を行なう偏光分光器、特にその迷光除去機構の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体の集積化が進むにつれ、解像度を上げる手段の一つとして、光リソグラフィーの光源波長は真空紫外域へと短波長化されて来ている。また、照明光にＳ偏光を用いてコントラストを向上させる偏光照明や、偏光光源での露光が一般的になり、真空紫外域までスループットの高い偏光単色光を出射する材料評価用の分光器が必須となって来ている。
【０００３】
単色の直線偏光を得るために、通常の分光器を通過させた光を偏光子に通すといった構成が一般的に使用されている。しかし、このような構成では偏光子のスループットによるロスが生じてしまう。そのため、分光器をダブルモノクロメータ型とし、一方のモノクロメータで波長分散を行い、もう一方のモノクロメータに波長分散と偏光子としての機能を持たせるといったことが行なわれている。この偏光分光器は一方のモノクロメータの分散素子として結晶プリズムを用いており、この結晶プリズムに波長分散素子および偏光素子としての働きをさせることで単色の直線偏光を得ている。つまり、結晶プリズムの複屈折により常光と異常光とを分離することで、直線偏光が得られる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のような偏光分光器では常光と異常光の分離角が小さいため、迷光成分となる一方の直線偏光成分が十分に除去できないという問題点があった。また、一般に短波長の光に対してはサンプル等の透過媒体の吸収が大きくなるので、十分な光量を得るために分光器の出射スリット幅を広くする必要がある。しかし、上記の偏光分光器では分離角が小さいためスリット幅を広げることができず、特に真空紫外域におけるスループットは満足いくものではなかった。さらに、迷光を十分に除去するために光路長を長く取る必要があり、装置が大型化するという問題もあった。
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、その目的は、迷光除去率よく、所望の波長をもつ直線偏光を抽出することのできる偏光分光器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明にかかる偏光分光器は、少なくとも二以上の波長分散素子を備え、単色の直線偏光の抽出を行なう偏光分光器であって、前記二以上の波長分散素子として、波長および偏光方向に応じた方向へ光を出力する第１プリズムと、前記第１プリズムを透過した光を受け、波長および偏光方向に応じた方向へ光を出力する第２プリズムとを備える。前記第１プリズムおよび第２プリズムは一軸性の結晶プリズムであり、前記第１プリズムの光学軸および第２プリズムの光学軸は共に各プリズム内での光路に略直交し、かつ第２プリズムの光学軸が、第１プリズムからの出力光のうち、第１プリズムの光学軸に直角に偏光した直線偏光成分の偏光方向を向いていることを特徴とする。
【０００６】
上記の偏光分光器において、前記第１プリズムと第２プリズムとの間の光路上に設置され、第１プリズムから所定の方向に出射された光以外の光を遮断する中間スリットと、前記第２プリズムの後段に設置され、第２プリズムから所定の方向に出射された光以外の光を遮断する出射スリットと、を備えることが好適である。
上記の偏光分光器において、前記第１プリズムおよび第２プリズムを回転駆動し、抽出する直線偏光の波長を変更する駆動手段を備えることが好適である。
【０００７】
なお、第１及び第２プリズムの光学軸が各プリズム内の光路に略直交するとは、第１及び第２プリズムが常光と異常光とを分離する偏光素子として実用上機能する程度に光学軸と光路とのなす角が９０°に近ければよい。具体的には、例えばプリズムとして結晶水晶を用いたとき、８９°〜９１°の範囲にあれば十分である。
また、本明細書において偏光方向とは電場ベクトルの振動方向のことをいう。
【発明の効果】
【０００８】
本発明にかかる偏光分光器によれば、第１プリズムの光学軸および第２プリズムの光学軸が共に各プリズム内での光路に略直交し、かつ第２プリズムの光学軸が、第１プリズムからの出力光のうち、第１プリズムの光学軸に直角に偏光した直線偏光成分の偏光方向を向いているため、第２プリズムから出射する互いに直交した直線偏光線分（常光、異常光）の分離角が大きく、容易に迷光を除去することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態にかかる偏光分光器の概略構成図である。本実施形態にかかる偏光分光器１０は、波長分散素子としての第１プリズム１２を備えた第１モノクロメータ１４と、波長分散素子としての第２プリズム１６を備えた第２モノクロメータ１８とで構成されたダブルモノクロメータ型の分光器である。また、第１モノクロメータ１４と第２モノクロメータ１８との間には中間スリット２０が設けられている。分光対象の光は第１モノクロメータ１４、中間スリット２０、第２モノクロメータ１８を通り、波長選択が行なわれ、単色の直線偏光とされて出射する。
【００１０】
第１プリズム１２および第２プリズム１６は、一軸性の結晶プリズムであれば特に限定されない。好適に使用し得るものとしては、例えば、結晶水晶等が挙げられる。
第１プリズム１２と第２プリズム１６は、各プリズムの光学軸が各プリズム内の光線の進行方向に略直交するように構成されている。そのため、光学軸に平行な直線偏光成分（異常光）と光学軸に垂直な直線偏光成分（常光）とでは、同一波長であっても異なる屈折率を有し、その偏光方向に応じて第１プリズム１２もしくは第２プリズム１６から出力する光の方向が決まる。つまり、第１プリズム１２および第２プリズム１６は波長分散素子としてのみでなく、常光と異常光とを分離する偏光素子としても機能する。
なお、第１及び第２プリズムの光学軸が各プリズム内の光の進行方向に略直交するとは、第１および第２プリズムが常光と異常光とを分離する偏光素子として実用上機能する程度に光学軸と光路とのなす角が９０°に近ければよい。具体的には、例えば、プリズムとして結晶水晶を用いたとき、８９°〜９１°の範囲にあれば十分である。
【００１１】
さらに、第２プリズム１６の光学軸の方向（紙面に垂直方向、図では二重丸として示した）は、第１プリズム１２の光学軸の方向（図の両矢印で示した方向）に垂直になるようにとられている。つまり、第１プリズム１２の光学軸と平行な偏光方向を有する直線偏光成分（異常光）として第１プリズム１２を通過した直線偏光成分は、第２プリズム１６の光学軸と直交した偏光方向を有する直線偏光成分（常光）として第２プリズムを透過する。同様に第１プリズム１２の光学軸と垂直な偏光方向を有する直線偏光成分（常光）として第１プリズム１２を透過した直線偏光成分は、第２プリズム１６の光学軸と平行な偏光方向を有する直線偏光成分（異常光）として第２プリズム１６を透過する。このように、本実施形態では目的とする波長の直線偏光を得るために、第１プリズム１２および第２プリズム１６のうち、一方のプリズムでは異常光の屈折率分散、他方のプリズムでは常光の屈折率分散を利用して波長選択を行なっている。この結果、後述するように第２プリズム１６による常光と異常光との分離角が大きくなる。
【００１２】
第１モノクロメータ１４は、入射スリット２２と、第１コリメータ光学系（第１コリメータ鏡２４）と、第１プリズム１２と、第１集光光学系（第１集光鏡２６）とを備える。入射スリット２２を通り第１モノクロメータ１４内に入射した光は、第１コリメータ鏡２４により平行光とされ、第１プリズム１２へ照射される。第１プリズム１２に照射された平行光は波長分散され、波長および偏光方向に応じた方向へ出射される。第１プリズム１２からの出力光は第１集光鏡２６にて集光され、中間スリット２０へ導かれる。中間スリット２０では、第１プリズム１２から所定の角度方向に出力された光のみを通過させ、それ以外の方向へ出射した光を遮断する。つまり、所望の波長および偏光方向を有する光以外の光を中間スリット１８によって遮断する。
【００１３】
第２モノクロメータ１８では、中間スリット２０を通過した光の波長分散をさらに行なう。第２モノクロメータ１８は、第２コリメータ光学系（第２コリメータ鏡２８）と、第２プリズム１６と、第２集光光学系（第２集光鏡３０）と、出射スリット３２とを備える。中間スリット２０を通過して第２モノクロメータ１８に入射した光は、第２コリメータ鏡２８により平行光とされ、第２プリズム１６へ照射される。第２プリズム１６からの出力光は第２集光鏡３０にて集光され、出射スリット３２へと導かれる。出射スリット３２は、第２プリズム１６から所定の角度方向に出力された光のみを通過させるように配置し、それ以外の方向へ出射した光を遮断する。よって、出射スリット３２からは所望の波長および偏光方向をもつ直線偏光が出射されることとなる。
【００１４】
さらに、本実施形態の偏光分光器１０は、第１プリズム１２および第２プリズム１６を波長分散方向に回転駆動する駆動手段（第１駆動部３４、第２駆動部３６）が設けられている。第１駆動部３４は、第１プリズム１２への光の入射角を変更し、中間スリット２０を通過する光の波長の選択を行なう。同様に第２駆動部３６は、第２プリズム１６への光の入射角を変更し、出射スリット３２から出射する光の波長の選択を行なう。駆動手段の制御は、コンピュータ等で構成された制御手段３８によって行われる。第１駆動部３４および第２駆動部３６は従来同様カム等を用いて構成すればよい。ただし、本実施形態では第１プリズム１２では異常光の屈折率分散で波長選択し、第２プリズム１６では常光の屈折率分散で波長選択を行なう、もしくは、第１プリズム１２では常光の屈折率分散で波長選択し、第２プリズム１６では異常光の屈折率分散で波長選択を行なう、というように両者で利用する屈折率分散が異なるため、第１駆動部３４および第２駆動部３６はそれぞれ異なるカムを使用する必要がある。また、異常光はプリズム内での光の進行方向に応じて屈折率が変化するため、そのことも考慮に入れる必要がある。
以上が本実施形態の概略構成であり、以下にその作用について説明する。
【００１５】
通常、プリズムによる波長分散は、波長に依存した屈折率の違いによりプリズムからの出射方向が波長に応じて異なることを利用している。つまり、固定したスリットに対し、プリズムを波長分散方向に回転することで、目的の波長の光がスリットを通過するように設定する。しかし、本実施形態ではプリズムをその光学軸が光路に直交するように配置しているので、偏光方向が光学軸に平行な直線偏光（異常光）と偏光方向が光学軸に垂直な直線偏光（常光）とでは異なる屈折率分散をもつ。このため、偏光方向の違いによってもプリズムからの出射方向が異なる。本実施形態では、このようなプリズムの複屈折を利用して所定波長の直線偏光を得ている。
【００１６】
以下に図２〜４を参照して、本実施形態の偏光分光器の第１及び第２プリズムの作用を説明する。ここでは、第１プリズムと第２プリズムが同種の正の一軸性結晶である場合を想定して説明を行う。
図２に第１プリズム１２の作用の説明図を示す。なお、図ではプリズムとして、底面が直角三角形の柱状で、直角三角形の直角を挟む2面の一方に反射膜を設けたものを示したが、これに限定されず、他の形状のプリズムを用いてもよい。また、図２での第１プリズム１２の光学軸方向は図面の上下方向（図の両矢印方向）とした。偏光分光器により最終的に取り出したい光は、図２に示した直線偏光成分Ａであり、この直線偏光成分Ａは偏光方向が紙面に平行（図の両矢印方向）で波長λをもつものとする。第１プリズム１２へ入射した光は、その波長および偏光方向へ応じた方向へ第１プリズム１２から出射していくが、そのうち直線偏光成分Ａは中間スリットを通過し得る方向へと出射する。ここで、直線偏光成分Ｂとして、直線偏光成分Ａと同一の波長λで、直線偏光成分Ａと直交する偏光方向（紙面に垂直、図中二重丸印で示した）をもつものを考える。すると、直線偏光成分Ａは第１プリズム１２を異常光として透過するのに対し、直線偏光成分Ｂは第１プリズム１２を常光として透過する。そのため、直線偏光成分Ｂは、直線偏光成分Ａとは異なる方向へ出射し、中間スリットによって遮断される。
【００１７】
しかし、直線偏光成分Ａと直交した偏光方向を持っていても、波長が異なる場合、直線偏光成分Ａと同じ方向へ出射していく直線偏光成分（直線偏光成分Ｃ）も存在する。常光の屈折率ｎｏ、異常光の屈折率ｎｅの波長依存性を示した模式的なグラフ（図３）から分かるように、波長λの異常光（直線偏光成分Ａ）に対する屈折率ｎｅ（λ）は、異なる波長λ−Δλの常光（直線偏光成分Ｃ）に対する屈折率ｎｏ（λ−Δλ）と同じであり、これらの光は共に第１プリズム１２から同じ方向へ出射される。そのため、図２に示したように、中間スリットを通過する光には、目的とする直線偏光成分Ａのみならず、迷光成分である直線偏光成分Ｃも混じることになる。この迷光成分の除去は次に述べるように、第２モノクロメータにて行なわれる。
【００１８】
図４は第２プリズムの作用の説明図である。上で述べたように、第１モノクロメータ、中間スリットを通過した光束には、互いに偏光方向が直交し、異なる波長を持つ光が混在することになる。つまり、第２プリズム１６に照射される光には、偏光方向が紙面に平行で波長λの直線偏光成分Ａと、偏光方向が紙面垂直方向で波長λ−Δλの直線偏光成分Ｃとが主に含まれることになる。
ここで、第２プリズム１６の光学軸方向は紙面に垂直、つまり第１プリズムの光学軸方向に対して垂直方向にとられている。よって、第１プリズムを異常光として透過した直線偏光Ａは第２プリズム１６を常光として透過し、第１プリズムを常光として透過した直線偏光Ｃは第２プリズム１６を異常光として透過することとなる。また、光学軸はプリズム内の光路に直交しているため、図３のグラフから分かるように、第２プリズム１６における、直線偏光成分Ａ（波長λ）に対する屈折率はｎｏ（λ）となり、直線偏光成分Ｃ（波長λ−Δλ）に対する屈折率はｎｅ（λ−Δλ）となる。そのため、第２プリズム１６から出射する直線偏光成分Ａと直線偏光成分Ｃはそれぞれ異なる方向へと向かう。その結果、直線偏光成分Ａのみが出射スリットを通過して偏光分光器から取り出され、直線偏光成分Ｃは出射スリットにて遮断され、迷光が除去される。
【００１９】
一方、従来の偏光分光器では、例えば図１の第１プリズム１２の光学軸をプリズム内の光の光路に略平行にとった構成を採用し、第１プリズム１２に波長分散素子のみの機能を負わせていた。このため、第１プリズムは光の偏光方向に関係なく波長のみに依存した屈折率を持つ。そして、第２プリズムのみを分散素子および偏光素子として用い、同一波長をもつ常光と異常光とを分離することによって直線偏光を得ていた。図５に示すように、第１プリズムの光学軸を光路に平行にとると、第１プリズムでは常光、異常光の区別なく波長分散される。一方、図６に示すように第２プリズムは光学軸をプリズム内の光路に直交させており、プリズムの複屈折性を利用して常光と異常光の分離を行なう。しかし、このような従来の場合は本発明とは異なり、第２プリズムに同一波長をもつ互いに直交する直線偏光が入射することになる。そのため、従来の例では、同一波長λを持つ常光と異常光を分離することとなり、この場合の常光と異常光との屈折率差はｎｅ（λ）−ｎｏ（λ）となる。
【００２０】
しかしながら、本実施形態では、異なる波長を持つ常光と異常光に対する屈折率の差を利用して互いに直交する直線偏光成分（直線偏光成分Ａ、直線偏光成分Ｃ）を分離しているため、それらの屈折率差はｎｅ（λ−Δλ）−ｎｏ（λ）となる。これは、図３のグラフから明らかなように、同一波長における常光と異常光との屈折率差ｎｅ（λ）−ｎｏ（λ）よりも大きい。常光と異常光との分離角（プリズムからの出射角度の差）は、屈折率差の絶対値が大きい程大きいため、本実施形態の偏光分光器によれば、第２プリズムにおける分離角を従来よりも大きく取れることが分かる。
【００２１】
具体例として第１および第２プリズムに水晶プリズムを用いた場合における、本実施形態の偏光分光器での常光と異常光との屈折率差と、従来の偏光分光器での常光と異常光との屈折率差とを比較する。まず、水晶の複屈折分散（常光の屈折率：ｎｏ，異常光の屈折率：ｎｅ）は下記の式で表される(R.W.Ward, 14th Piezoelectric Devices Conference and Exhibition, Sept.15-17, 1992, Table1)。
ｎｏ２＝3.53445+0.008067/(λ２−0.0127493)+0.002682/(λ２−0.000974)+127.2/(λ２−108)
ｎｅ２＝3.5612557+0.00844614/(λ２−0.0127493)+0.00276113/(λ２−0.000974)+127.2/(λ２−108)
また、上式の複屈折分散のグラフを図７に示す。
【００２２】
目的とする直線偏光（直線偏光成分Ａ）の波長λを２１５ｎｍとすると、この光は本実施形態にかかる偏光分光器の第１プリズムを異常光として透過するため、屈折率はｎｅ（２１５ｎｍ）＝１．６４となる。上式より、波長２０５ｎｍの常光がこれと等しい屈折率をもつことが分かる。したがって、第２プリズムに入射する光は、波長２１５ｎｍの直線偏光成分Ａと、それと直交した偏光方向をもつ波長２０５ｎｍの直線偏光成分Ｃとが混ざったものとなる。この直線偏光成分Ｃが迷光となる。
【００２３】
第２プリズムでは直線偏光成分Ａが常光として透過し、直線偏光成分Ｃが異常光として透過するため、第２プリズムの直線偏光成分Ａに対する屈折率はｎｏ（２１５ｎｍ）＝１．６３０であり、直線偏光成分Ｃに対する屈折率はｎｅ（２０５ｎｍ）＝１．６５５となる。よって、本実施形態の偏光分光器では、複屈折はΔｎ＝ｎｅ（２０５ｎｍ）−ｎｏ（２１５ｎｍ）＝０．０２５となる。
一方、従来のように一のプリズムにて同一波長の常光線と異常光線とを分離する場合、波長２１５ｎｍにおける光に対する常光線、異常光線の屈折率はそれぞれ、ｎｏ（２１５ｎｍ）＝１．６３０、ｎｅ（２１５ｎｍ）＝１．６４２であるから、複屈折はΔｎ’＝ｎｅ（２１５ｎｍ）−ｎｏ（２１５ｎｍ）＝０．０１２となる。よって本実施形態での複屈折Δｎは、従来のものでの複屈折Δｎ’の約２倍となる。複屈折が約２倍になると常光と異常光との分離角、分離距離も約２倍となる。
【００２４】
以上説明したように、本実施形態の偏光分光器によれば、第１プリズムの光学軸および第２プリズムの光学軸は共に各プリズム内での光路に略直交し、第２プリズムの光学軸が、第１プリズムの光学軸の方向に直角に偏光した、第１プリズムからの出力光の直線偏光成分と同じ方向になるよう設置されているため、第２プリズムにて互いに直交した直線偏光成分間の分離角が大きくなり、迷光の除去が容易となる。
また、一般に短波長の光に対してはサンプルセルなどの透過媒体の吸収が大きくなるので、十分な光量を得るために出射スリット幅を広くする必要があるが、本実施形態の偏光分光器は分離角が大きいため出射スリット幅を広くとることが可能である。そのため、本実施形態の偏光分光器によれば、真空紫外域の光でも高いスループットを得ることができる。
また、分離角が大きいことから第２プリズムから出射スリットまでの光路長を小さくとることができ、装置の小型化も達成できる。
【００２５】
上記の説明では、第１モノクロメータでは異常光の屈折率分散で波長選択し、第２モノクロメータでは常光の屈折率分散で波長選択を行なった例を示したが、これを逆にして第１モノクロメータでは常光の屈折率分散で波長選択し、第２モノクロメータでは異常光の屈折率分散で波長選択を行なうようにしてもよい。
また、上記の例では第１プリズムおよび第２プリズムが共に正の一軸性結晶を用いた場合を説明したが、第１プリズムおよび第２プリズムが共に負の一軸性結晶であってもよい。すなわち、第１および第２プリズムが同種のものであればよい。
また、上記の例ではダブルモノクロメータの例を説明したが、第１モノクロメータの前段、第１モノクロメータと第２モノクロメータの間、第２モノクロメータの後段、等に通常の波長分散機能のみをもつモノクロメータ（例えば、光学軸を光路と平行に設置したプリズム等を分散素子として使用したもの）をさらに組み合わせた構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態にかかる偏光分光器の概略構成図である。
【図２】本発明の実施形態にかかる偏光分光器の第１プリズムの作用の説明図である。
【図３】結晶プリズムにおける常光と異常光の屈折率の波長依存性を示す模式図である。
【図４】本発明の実施形態にかかる偏光分光器で第２プリズムの作用の説明図である。
【図５】従来の偏光分光器のプリズムの作用の説明図である。
【図６】従来の偏光文光器のプリズムの作用の説明図である。
【図７】水晶の常光と異常光の屈折率の波長依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２７】
１０        偏光分光器
１２        第１プリズム
１４        第１モノクロメータ
１６        第２プリズム
１８        第２モノクロメータ
２０        中間スリット
２２        入射スリット
２４        第１コリメータ鏡
２６        第１集光鏡
２８        第２コリメータ鏡
３０        第２集光鏡
３２        出射スリット
３４        第１駆動部（駆動手段）
３６        第２駆動部（駆動手段）
３８        制御手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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